биофизика

Тема 2. Биофизика клетки.

1.Клетка – структурная и функциональная единица живого организма, которой присущи все основные жизненные функции.

2.Клетка – элементарная биологическая единица способная самостоятельно существовать в отсутствие других живых организмов.

Рис. 2.1. Клетка.

Цитоплазма. В цитоплазме находится целый ряд структур (органелл или органоидов), каждая из которых имеет закономерные особенности строения и поведения в различные периоды жизнедеятельности клетки и выполняет определенную функцию. Есть органоиды, свойственные всем клеткам, - митохондрии, клеточный центр, аппарат Гольджи, рибосомы, эндоплазматическая сеть, лизосомы. И есть органеллы, характерные только для определенных типов клеток, - миофибриллы, реснички и т.д.

Органоиды - постоянные, жизненно важные составные части клеток.

В цитоплазме откладываются также различные вещества - включения. Включениями называют непостоянные структуры цитоплазмы (а иногда и ядра), которые в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Плотные включения называют гранулами, жидкие - вакуолями. В процессе жизнедеятельности в клетках накапливаются продукты обмена веществ (пигменты,

21

белковые гранулы в секреторных клетках) или запасные питательные вещества (глыбки гликогена, капли жира).

Воснове структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения. Это означает, что клетка в основном построена из мембран. Все мембраны имеют сходное строение.

Внастоящее время общепринята модель жидкостно-мозаичного строения мембран.

Наружная цитоплазматическая мембрана. Она имеется у всех клеток и

отграничивает содержимое цитоплазмы от внешней среды, образуя поверхность клетки. В цитоплазматической мембране есть многочисленные мельчайшие отверстия - поры, через которые с помощью ферментов внутрь клетки могут проникать ионы и мелкие молекулы. Кроме того, ионы и мелкие молекулы могут проникать в клетку непосредственно через мембрану. Поступление ионов и молекул в клетку - не пассивная диффузия, а активный транспорт, требующий затрат энергии. Транспорт веществ носит избирательный характер.

Эндоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум). Наружная цитоплазматическая мембрана продолжается в мембраны эндоплазматической сети. Эндоплазматическая сеть - это сложная система мембран, пронизывающая цитоплазму всех клеток. Она особенно развита в клетках с интенсивным обменом веществ. В среднем объем эндоплазматической сети составляет от 30 до 50 % всего объема клетки. Различают два вида эндоплазматической сети: гладкую и шероховатую. Одной из функций гладкой эндоплазматической сети является синтез липидов и углеводов. Особенно обильно гладкая эндоплазматическая сеть представлена в клетках сальных желез, где осуществляется синтез жиров, в клетках печени (синтез гликогена), в клетках, богатых запасными питательными веществами (семена растений).

Основная функция шероховатой эндоплазматической сети - синтез белка, который осуществляется в рибосомах, покрывающих поверхность уплощенных мембранных мешочков (цистерн) эндоплазматической сети, за что она и получила название шероховатой. Затем белок транспортируется по цистернам в аппарат Гольджи. Мембраны эндоплазматической сети выполняют еще одну функцию - пространственного разделения ферментных систем, что необходимо для их последовательного вступления в биохимические реакции.

Таким образом, эндоплазматическая сеть - общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а в мембраны этих

22

каналов встроены многочисленные ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки.

Рибосомы. Представляют собой сферические частицы диаметром 15 -35 нм, состоящие из двух частей - субъединиц. Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств белка и РНК. Рибосомная РНК (рРНК) синтезируется в ядре на молекуле ДНК одной из хромосом в зоне ядрышка. Там же формируются рибосомы, которые затем покидают ядро. В цитоплазме рибосомы могут располагаться свободно или быть прикрепленными к наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. В зависимости от типа синтезируемого белка рибосомы могут "работать" по одиночке или объединяться в комплексы - полирибосомы (полисомы).

Комплекс Гольджи. Основной структурный элемент комплекса Гольджи - мембрана, которая образует пакеты уплощенных цистерн, крупные вакуоли или мелкие пузырьки.

Комплекс Гольджи особенно развит в клетках, вырабатывающих белковый секрет, а также в нейронах и овоцитах. Цистерны комплекса Гольджи соединены с каналами эндоплазматической сети. Синтезированные на мембранах эндоплазматической сети белки, полисахариды, жиры транспортируются к комплексу Гольдки, конденсируются внутри его структур и «упаковываются» в виде секрета, готового либо к выделению, либо к использованию в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности.

Митохондрии. Эти органоиды есть во всех типах эукариотических клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Всеобщее распространение митохондрий в живом мире указывает на их важную роль в клетке.

Митохондрии имеют форму сферических, овальных и цилиндрических телец, могут быть нитевидной формы. Размеры их составляют 0,2 - 1,0 мкм в диаметре и до 7 мкм длины. Количество митохондрий в разных тканях неодинаково и зависит от функциональной активности клетки: их больше там, где интенсивны синтетические процессы (например, в печени) или велики затраты энергии (например, в грудной мышце хорошо летающих птиц).

Митохондрии тесно связаны с мембранами эндоплазматической сети, каналы которой нередко открываются прямо в митохондрии. Число митохондрий может быстро увеличиваться путем деления, что обусловлено молекулой ДНК, входящей в их состав. Стенка митохондрий состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная стенка гладкая; а от внутренней в глубь органоида отходят перегородки, или кристы. На мембранах крист располагаются многочисленные ферменты, участвующие в

23

энергетическом обмене. Количество крист зависит от функции клеток. В митохондриях мышц их очень много, и они занимают всю внутреннюю полость органоида. Основная функция митохондрий - синтез универсального источника энергии - аденезинтрифосфата

(АТФ).

Лизосомы (от греч. lysis — растворение и soma — тело). Представляют собой очень мелкие овальные тельца диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной. В лизосомах находится более 30 типов ферментов, способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и другие вещества. Расщепление веществ с помощью ферментов называется лизисом, отсюда название органоида. Лизосомы образуются или из структур комплекса Гольджи, или непосредственно из эндоплазматической сети. Они приближаются к пиноцитозным или фагоцитозным вакуолям и изливают в их полость свое содержимое. Таким образом, одна из основных функций лизосом - участие во внутриклеточном переваривании пищевых веществ. Кроме того, лизосомы могут разрушать структуры самой клетки при ее отмирании, в ходе эмбрионального развития и в ряде других случаев. По-видимому, переваривание клеточных структур играет важную роль в метаболизме клеток. Однако пока неизвестно точно, каким образом лизосомы «распознают» внутриклеточный материал, подлежащий разрушению.

Клеточный центр. В состав клеточного центра входят два небольших тельца цилиндрической формы, расположенных под прямым углом друг к другу. Они называются центриолями. Стенка центриоли состоит из девяти групп микротрубочек, каждая из которых включает по три микротрубочки. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы. Клеточный центр играет важную роль в клеточном делении.

Клеточное ядро. Ядро — важнейшая составная часть клетки, содержащая ДНК, т.е. гены. Благодаря этому ядро выполняет две главные функции:

1.хранение и воспроизведение генетической информации;

2.регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Большинство клеток имеет одно ядро. Нередко можно наблюдать 2— 3 ядра в одной клетке (например, в клетках печени). Известны и многоядерные клетки, причем число ядер может достигать нескольких десятков.

Строение ядра. Форма ядра большей частью зависит от формы клетки. Впячивания

ивыросты ядерной оболочки значительно увеличивают его поверхность и тем самым усиливают связь ядерных и цитоплазматических структур.

Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран. Наружная ядерная мембрана с поверхности, обращенной в цитоплазму, покрыта рибосомами, внутренняя

24

мембрана гладкая. Ядерная оболочка — часть мембранной системы клетки. Выросты внешней ядерной мембраны соединяются с каналами эндоплазматической сети, образуя единую систему сообщающихся каналов.

Обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными путями. Во-первых, ядерная оболочка пронизана многочисленными порами, через которые идет обмен молекулами между ядром и цитоплазмой. Во-вторых, вещества из ядра в цитоплазму и обратно могут попадать вследствие отшнуровывания впячиваний и выростов ядерной оболочки. Кроме того, мелкие молекулы могут диффундировать через ядерную оболочку. Несмотря на активный обмен веществ между ядром и цитоплазмой, ядерная оболочка отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы, создавая возможность существования особой внутриядерной среды, отличной от окружающей цитоплазмы. Это необходимо для нормального функционирования ядерных структур.

В состав ядерного сока (или кариоплазмы) входят ферменты, рибосомальные и структурные белки хромосом. Кроме этого, в ядерном соке находятся свободные нуклеотиды, аминокислоты, а также продукты деятельности ядрышка и хроматина.

Ядрышко - характерная структура ядра. Оно представляет собой плотное округлое тельце, погруженное в ядерный сок. В ядрах разных клеток, а также в ядре одной и той же клетки в зависимости от ее функционального состояния число ядрышек может колебаться от 1 до 5 - 7 и более. Ядрышки есть только в неделящихся ядрах. Во время митоза они исчезают, а после завершения деления вновь появляются.

Ядрышко не представляет собой самостоятельную структуру ядра. Оно образуется вокруг участка хромосомы, в котором закодирована структура рРНК. Гены рРНК построены в виде длинных повторов, число которых в зависимости от вида эукариот колеблется от сотен до нескольких тысяч.

Этот участок хромосомы (он может находиться в одной или в нескольких хромосомах) носит название ядрышкового организатора, и на нем синтезируется рРНК. Кроме накопления рРНК в ядрышке осуществляется процессинг про-рРНК и формируются субъединицы рибосом, которые потом перемещаются в цитоплазму. Таким образом, ядрышко - это скопление рРНК и субъединиц рибосом на разных этапах формирования.

Знания о физике клетки получают из пяти основных областей исследования:

1.Изучение вязкости протоплазмы (изучение основ коллоидной химии протоплазмы).

2.Изучение биологических мембран.

3.Изучение электрических свойств клетки.

25

4.Изучение клеточной проницаемости для различных веществ.

5.Изучение оптических свойств клетки.

Основы биофизики мембран

Биофизика мембран - важнейший раздел биофизики клетки, имеющий большое значение для биологии. Многие жизненные процессы протекают на биологических мембранах. Нарушение мембранных процессов - причина многих патологий. Лечение также во многих случаях связано с воздействием на функционирование биологических мембран.

Мембрана – динамическая надмолекулярная структура, толщина которой много меньше ее площади. Следовательно мембрана – двумерное образование (h 2 10 нм).

Основные функции биологических мембран

Важнейшими условиями существования клетки (и клеточных органелл) являются, с одной стороны, автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения, должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, связь с окружающей средой (непрерывный, регулируемый обмен веществом и энергией между клеткой и окружающей средой). Живая клетка - открытая система.

Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с окружающей средой - необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни - нормальное функционирование биологических мембран.

Принято выделять 5 групп основных проблем биофизики мембран:

1.Молекулярное строение мембран.

2.Роль мембран как систем, обеспечивающих транспорт веществ.

3.Физическая сущность возбудимости мембран. (Возникновение биопотенциалов покоя и действия).

4.Биоэнергетика мембран. (Преобразование химической энергии АТФ в механическую, электрическую, химическую работу, совершаемую в мембранах).

5.Физика процессов рецепции.

К основным функциям биологических мембран относят:

26

-барьерная - обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);

-матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);

-механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

-энергетическая - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;

-генераторная - генерация и проведение биопотенциалов;

-рецепторная - механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процессы.

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь связана с огромной ролью мембран в жизненных процессах.

Структура биологических мембран

Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сделано предположение, что биологические мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На самом деле, на поверхности раздела полярной и неполярной среды (например, воды и воздуха) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные "головы" погружены в полярную среду, а неполярные "хвосты" ориентированы в сторону неполярной среды. Поэтому и можно было предположить, что биологические мембраны построены из монослоя липидов.

В 1925 г. Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали

раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной

27

пленки липидов. На основании результатов этих исследований была высказана идея, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя.

Эту гипотезу подтвердили исследования электрических параметров биологических мембран (Коул и Кертис, 1935 г.): высокое электрическое сопротивление 107 Ом м2 и большая емкость 0,5 102 Ф/м2.

белок фосфолипиды

Рис. 2.2. Структура мембраны.

Однако мембрана - это не только липидный бислой. Имелись экспериментальные данные, которые свидетельствовали о том, что биологическая мембрана состоит и из белковых молекул. Например, при измерении поверхностного натяжения клеточных мембран было обнаружено, что измеренные значения коэффициента поверхностного натяжения значительно ближе к коэффициенту поверхностного натяжения на границе раздела белок-вода (около 10-4 Н/м), нежели на границе раздела липид-вода (около 10-2 Н/м). Эти противоречия экспериментальным результатам были устранены Даниелли и Девсоном, предложившими в 1935 г. так называемую бутербродную модель строения биологических мембран, которая с некоторыми несущественными изменениями продержалась в мембранологии в течение почти 40 лет. Согласно этой модели мембрана - трехслойная. Она образована двумя расположенными по краям слоями белковых молекул с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда: липиды, наподобие масла, между двумя "ломтями" белка.

Однако по мере накопления экспериментальных данных пришлось в конце концов отказаться и от бутербродной модели строения биологических мембран.

28

Рис. 2.3.

Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами исследования, дала возможность предложить новую жидкостно-мозаичную модель строения биологических мембран (Сингер и Никольсон, 1972 г.). Согласно Сингеру и Никольсону, структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками. Различают поверхностные (или периферические) и интегральные белки.

Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги". Одним из подтверждений жидкостно-мозаичной модели является и тот факт, что, как установил химический анализ, в разных мембранах соотношение между содержанием белков и фосфолипидов сильно варьирует: в миелиновой мембране белков в 2,5 раза меньше, чем липидов, а в эритроцитах, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем липидов. При этом, согласно современной модели, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково. Тот факт, что не вся поверхность биологической мембраны покрыта белками, показал и метод ядерного магнитного резонанса.

Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина (в сравнимом количестве с фосфолипидами и белками). Есть в мембранах и другие вещества, например гликолипиды, гликопротеиды.

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята. Однако, как всякая модель, она дает довольно упрощенную картину строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые "айсберги" не всегда свободно плавают в липидном

29

море, а могут быть "заякорены" на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки - полые цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка (тубулина) играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.

Выяснилось также, что не все липиды в мембране расположены по принципу бислоя. Физические методы исследования показали, что липидная фаза мембран содержит также участки, где липидные молекулы не образуют двойной слой.

Изучением сложного химического состава мембран, мембранных белков и других веществ занимается биохимия. Основная область приложения биофизики - структурная основа мембраны, а именно двойной слой фосфолипидных молекул.

Искусственные мембраны Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при

набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одноламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды. Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, - многослойные липосомы.

Рис. 2.4. Липосомы.

Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов, 6,5-7,5 нм, а расстояние между ними - 1,5 - 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 нм до 400 нм и более.

30